Led's fiesteros

El resumen de este proyecto es iluminar unos determinados led’s según la señal sonora que haya en el ambiente. Para ello, usaré un micrófono, amplificaré la señal proveniente del micrófono y hallaré su envolvente. Por último, con ayuda de unos comparadores, permitiré encender unos led’s u otros.

En la imagen podemos apreciar las distintas fases del circuito, en este caso se muestra el comparador cuyo valor de referencia usado para la comparación es de 2.5 V

Lógicamente la primera fase del diseño del proyecto es, buscar una idea para llevarla a cabo.

Una vez tuve la idea, pase a diseñar el circuito eléctrico que pudiese realizar mis especificaciones.

Posteriormente me topé con los diseños mecánicos y de la PCB, que es lo realmente duro. Debido a los fallos de mi primera versión, realicé una segunda versión para arreglar los errores de la primera. Esto fue posible gracias a la revisión, si no hubiese realizado esta “autocorrección” me hubiese encontrado en la tesitura de tener una caja y una PCB inservibles,  elevando el precio del proyecto.

Finalmente esta los procesos más gratificantes, la fabricación tanto de la caja como de la PCB. Es en este momento cuando ves que, todo el esfuerzo valió la pena para que todo funcione correctamente.

La idea que tenía para mi caja era sencillamente un prisma de base rectangular, con las aberturas necesarias para los componentes de mi circuito. Una tapadera se deslizaría por debajo abriendo y cerrando la caja. Podemos verlo a continuación:

Pero tras detectar numerosos fallos, tales como un tamaño inadecuado del groso de la caja, el mal funcionamiento del deslizamiento de la tapadera junto con fallos de carácter mecánico y físicos, dio lugar a una nueva versión, tanto de la caja como de la tapadera.

Para la segunda versión arreglé el grosor de los componentes, ahora en vez de medir 5mm miden 1,5mm. Otro problema que se ha solventado con esta versión, es la introducción de una segunda guía para evitar que, una vez introducida la tapadera, pueda moverse hacia arriba. Además también me servirá como soporte para aguantar la PCB una vez esté montado.

Otra variación es la considerable reducción del tamaño, tanto de la caja como de la tapadera. Pues ahora mide unos 6x5 cm en vez de 9x7 cm de la anterior versión. Este cambio ha sido posible gracias al aumento de la densidad de componentes de la PCB que me permitió reducir el tamaño de todos los elementos del proyecto.

La nueva versión de la tapa deja introducir la PCB con los elementos soldados ya en ella, pues en la anterior versión, era necesario montar los componentes una vez PCB estuviese en su sitio en la caja. Una tarea solo digna de los más habilidosos soldadores.

Para captar ruido en el ambiente, ten que usar un micrófono. El elegido para esta tarea es el EM4513-BC que es un micrófono unidireccional de dos patillas.  
Un micrófono circular, de 4,5mm de diámetro y 1,3 mm de altura, necesitará una alimentación de 2 V, y con una corriente de consumo de 0,5 mA. La sensibilidad que tenemos con este dispositivo es de 1V/Pa.

La etapa de amplificación tenemos que usarla justo después de que el micrófono nos proporcione la señal, pues la amplitud de dicha señal es demasiado baja para poder trabajar con ella. Dicha etapa se compone de los siguientes elementos:

Con 2 condensadores de 100nF, que se usaran para desacoplar. La resistencia R2 es la que fue mencionada para llevar a cabo la tarea de cumplir los requisitos del micrófono.

Una vez que tenemos la señal amplificada podemos obtener su envolvente. Para ello hemos utilizado el siguiente montaje:

Esos componentes están diseñados para que puedan pasar sin problemas señales de 5KHz, que es lo máximo que puede llegar la voz humana.

Utilizaremos 4 AO que se nos proporciona con el integrado TL074 SMD. Dicho integrado tiene un encapsulado de plástico, los transistores que lo integran son J-FET y bipolares sobre un circuito integrado monolítico. Costa de 14 patillas (4 x (entrada inversora, entrada no inversora y salida) y las 2 respectivas de alimentación). Y viendo los márgenes térmicos y de frecuencias, no vamos a tener ningún problema con su uso en nuestra aplicación.

A cada salida de los AO tenemos un transistor bipolar conectado entre sí mediante la puerta de este. Dependiendo de la salida de cada comparador, el transistor estará en conducción, o no. Lo que nos permite tener encendidos unas ramas de led’s u otras.

Vamos a ver los resultados obtenidos con la simulación del circuito:

Podemos observar que conforme la envolvente va creciendo se van activado los diferentes comparadores lo que provocará el encendido de los led’s.

Para los condensadores, utilizaré unos SMD 0805. Muestro unas imágenes aclaratorias sobre mi componente:

Para ver más sobre este elemento, pulse AQUÍ.

El circuito solo tendrá un diodo, y es el que mostramos a continuación:

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El elemento más numeroso del circuito, y aquí mostramos como se puede identificar:

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El EM4513-BC que es un micrófono unidireccional de dos patillas.  Aquí se muestra tal y como es:

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El transistor 2N3094 se trata de un transistor bipolar que cumple todas las especiaciones tanto de frecuencia como de potencia de nuestro proyecto, aquí mostramos como identificarlo:

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Usaremos resistencias SMD 1002, como las siguientes:

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El integrado TL074 SMD tiene un encapsulado de plástico, los transistores que lo integran son J-FET y bipolares sobre un circuito integrado monolítico. Costa de 14 patillas (4 x (entrada inversora, entrada no inversora y salida) y las 2 respectivas de alimentación). Y viendo los márgenes térmicos y de frecuencias, no vamos a tener ningún problema con su uso en nuestra aplicación. Lo muestro  a continuación:

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Para alimentar todo el circuito, lo haré a través de un puerto USB que me proporcionará 5V, como este:

Para ver más sobre este elemento, pulse AQUÍ.

Las librerias que usé para la realización de este proyecto las podemos encontrar: (libreria PCB AQUÍ, libreria SCH AQUÍ)

Conforme a las especificaciones de la primera versión tanto de la caja como de la tapadera, y con el criterio erróneo de solo poner componentes en la capa TOP, este fue el resultado de la primera PCB:

El gran inconveniente que tenía este diseño es que me agrandaba mucho las dimensiones de la PCB, por lo que la caja y la tapadera iban a incrementar su tamaño. Un aumento de tamaño se traduce en un aumento del precio final del producto. Por todo estos inconvenientes, y seguro que alguno mas habría que no se detectó, se procedió al rediseño de la PCB.

En esta segunda versión, para evitar en gran problema de las dimensiones, tome la decisión de que tuviese componentes tanto en la TOP como en la BOTTON. Se siguió el criterio de que todos los componentes SMD se pusieran en la BOTTON para dejar más espacio al elevado número de led’s y transistores que tiene dicho proyecto.

Se aprecia una mayor densidad de componentes por ambas capas, por lo que se redujo considerablemente el tamaño de la PCB, y por lo tanto, se redujo el gasto de fabricación.

Realicé todos los cambios de la anterior versión, pero no me di cuenta que el USB sobresalía en exceso por la abertura de la caja. Por lo tanto tuve que adentrar el componente en la PCB, moviendo así otra vez los componentes de lugar y dando lugar a otras pistas tanto en la TOP como en la BOTTOM. Por tanto, esta última versión quedará de la siguiente manera:

La PCB mostrada en el anterior apartado, quedaría de la siguiente manera:

Mostramos una foto del resultado de unir la PCB con la caja diseñada en el anterior apartado:

Por ultimo de este apartado, unos videos de una simulación de nuestro proyecto en 3D:

En esta tabla represento el tiempo empleado en cada una de las tareas que he realizado durante todo el proceso del proyecto:

Para poder llevar a cabo este proyecto, voy a necesitar la siguiente lista de materiales:

El precio final definitivo es difícil de calcular, debido a la variación de precios en diferentes establecimientos, pero aproximadamente rondará los 5€.

Puedo sacar muchas conclusiones respecto al proyecto, pero las más importantes son que siempre que puedas intenta reducir el tamaño, y, revisa muy bien lo que estás haciendo, pues más vale perder un rato revisando una cosa terminada, en vez de seguir y rediseñar posteriormente durante horas por culpa de fallo.

Unas de las mejoras más cercana, sería la sustitución tanto de los transistores como de los led por componentes SMD. Eso aumentaría aún más la densidad de componentes y permitiría reducir las dimensiones de la caja y la tapadera.
Otra posible mejora sería, el poder usar una batería para cuando no tengamos la oportunidad de tener el dispositivo conectado a la red. Lo cual haría que el producto tuviese más opciones de utilización.

Las valoraciones de la realización de un proyecto de este calibre es, el inmenso aprendizaje de muchos software que se utilizan realmente en las empresas del sector, como Altium o SolidWorks.
Aprendes a buscarte los fallos antes de que sea demasiado tarde. Me refiero que si no ves tus fallos cuando tienes que verlos, luego te constará mucho tiempo y esfuerzo en ponerle solución.

Descubres como se trabaja en las empresas, la metodología que siguen para llevar a cabo un proyecto y poder ponerlo en fabricación.
Y la verdad que me lo he pasado muy bien realizando este proyecto, pues lo he hecho de lo que me ha dado la gana y todo ha salido de mi cabeza, y ahora que por fin lo he terminado estoy orgulloso de haberlo realizado y haberle dedicado tantas horas.